流动注射技术

流动注射的进展

传统化学实验操作是通过滴管、移液管或药勺等器材，手动移取试验品混合到烧杯或锥形瓶等容器中，然后将其进行反应。此过程是在物理平衡下进行的完全反应。且仪器的调整、维护和使用需要操作者具有较高的专业技能才能保证检测具有较高的准确性,实验操作繁琐，费时，费力。因此后来有化学家提出了一种能在非平衡状态下，将上述实验操作综合到一个实验装置中进行的方法——流动注射分析法。它的出现打破了人们的传统观念,使在非平衡状态下的定量分析成为可能。由于它在混合过程与反应时间中的高度重现性,使它具有分析速度快、精度高、设备和操作简单、节省试剂与试样及适应性广等优点。

1流动注射分析法的创立及其定义

溶液化学分析的自动化是现代分析化学发展的一个重要方向，其在分析领域中的应用日益广泛。2O世纪5O年代后期，美国的Technicon等公司在空气泡间隔式连续流动分析(Segmented continu—OUS flow analysis，SCFA)的基础上大力发展了名为Auto-Analyzer的溶液处理自动分析仪，第一次把分析试样与试剂从传统的试管、烧杯容器中转人管道中。试样与试剂在连续流动中完成物理混合与化学反应。但间隔式连续流动分析仍维持了传统操作最终都要达到物理与化学平衡的观念。1975年由丹麦学者Ruzicka与Hansen首次命名的流动注射分析(Flow injection analysis，FIA)摆脱了上述观念上的局限，采用把一定体积的试样注入到无气泡间隔的流动试剂(载流)中的办法，保证混合过程与反应时间的高度重现性，在非平衡状态下高效率地完成了试样的在线处理与测定，从而触发了化学实验室中基本操作技术的一次根本性的变革。它打破了几百年来分析化学反应必须在物理化学平衡条件下完成的传统，使非平衡条件下的分析化学成为可能，从而开发出分析化学的一个全新领域文献对FIA定义为在热力学非平衡条件下，在液流中重现地处理试样或试剂区带的定量流动分析技术。该定义强调了FIA是在非平衡的状态下进行操作和测定的，并与SCFA法加以区别。

1990 年Ruzicka 和Marshall 提出了顺序注射分析(SIA) ,由于它流路简单、操作简化、容易实现微机控制,就作为流动注射分析的一个分支迅速发展起来,目前已成为流动注射分析研究最活跃的领域之一。从国外FIA 系统的发展现状可以更清楚地了解FIA技术的发展动向,按照自动化程度的高低,目前国外FIA 仪器产品可以分为四代:流动注射(1 代) 、顺序注射(2 代) 、微珠注射(3 代) 和阀上实验室(4代) 。严格讲,微珠注射和阀上实验室都属于顺序注射,只是与传统的顺序注射相比它们的自动化程度和集成度更高,这些系统在国外已经有商品化的仪器出售,下面就分别简单介绍其基本流路及原理。

2. 1 流动注射(FI)

C—载液；R—试剂；P—蠕动泵；S—试样；RC—反应器；D—检测器；W—废液；

图1 系统基本流程图

传统的流动注射分析系统由一台高性能的多通道蠕动泵、一个注入阀、一个反应管和一台检测器(如带流通池的分光光度计) 组成,其基本流路与图1 所示流路相同。多通道蠕动泵以恒定流率驱动载液,并且脉冲响应小;带定量环的注入阀可每次向流路中注入精确体积的试样。典型的载液流率为1 ml/ min ,试样体积为50μl ,检测速度为2～4 样/ min。FI 广泛应用于水质监测(如检测铵盐、磷酸盐、硝酸盐和亚硝酸盐) 、土壤样品分析、发酵过程监测、药物开发、科研和教学。如徐华华等采用在流动注射体系中加气体扩散膜装置的方法,让水样中的NH4+ 在NaOH 载液中转变成NH3 后扩散透过气体分离膜,再在H2SO4 吸收液中又重新转变成NH4+ ,与苯酚试剂及次氯酸钠试剂反应,在pH 约为12 条件下生成靛酚蓝,用靛酚蓝光度法在625 nm 处进行测定水中铵离子。

2. 2 顺序注射(SI)

R

1—注射泵；2—载液；3—存储罐；4—试样；5—蠕动泵；R1、R2、R3—试剂1、2、3；D—检测器；

W—废液

图2 顺序注射分析系统

顺序注射分析系统(图2) 包括一台单通道高精度的双向泵(如带三通阀的注射泵) 、一个储存管、一个多通道选择阀和一台检测器。系统的核心部件是一个

多通道选择阀,此阀的各个通道位置分别与检测器、样品、试剂等通道相连,公共通道与一个可以抽吸和推动液体的注射泵相通,通过泵的作用,顺序从不同的通

道吸入一定体积的区带到泵与阀之间的储存管中,然后将这些溶液区带推至检测器,在这一过程中样品和试剂的区带之间在管道中由于径向和轴向的分散作用而互相渗透引起试剂与样品带的重叠和混合,试剂与样品发生化学反应,导致反应

产物的形成。多通道选择阀内部有细微管道,管道的一端始终与阀中央的公共通道相联,另一端则可以在人为控制或计算机控制下切换到别的通道口,使公共通

道与其互通,从而使注射泵能依次完成吸入试样、试剂及推送液体到检测器等动作。在检测器中可以得到与正常流动注射分析中类似的峰型信号。与流动注射分析相比,顺序注射分析具有以下的特点:①系统硬件简单可靠,计算机控制方便,

样品和试剂的混合程度、反应时间可完全通过软件控制,最大程度减少了操作中的人为干预。控制的方便程度和精确程度比流动注射分析有大幅度地提高。容易实现集成化和微型化。②可以用同一装置完成不同项目的分析而无需改变流路设置,特别适用于过程分析和多组同时分析。③样品和试剂的消耗量很小,适于长时间监测和试剂比较昂贵、样品来源限制的分析。SI 广泛应用于质谱分析、火焰温度—红外分析、荧光显微术、流动细胞计、荧光分析、电化学分析、化学传感器技术。如武亚艳等根据四价铈在酸性介质中能氧化非那西汀产生化学发光,建立了顺序注射发光测量非那西汀的方法。

2. 3 微珠注射(BI)

1 —注射泵;

2 —载液;

3 —储存管;

4 —试样;

5 —蠕动泵;

6 —悬浮微珠;

7 —J R 流通池;

D —检测器;W—废液;

图3 微珠注射分析系统

微珠注射通常用于生物化学研究,与顺序注射的操作方式相同,流路组成也

基本相同(图3) ,同样有多通道选择阀,只是用微珠作为试剂的载体,微珠可再生。在进行微珠注射分析时,微珠表面上固化了一层合适的反应物,微珠被截留到J R 流通池中,含有生物分子的溶液和载液以精确控制的流速流过微珠表面,进

入检测器中检测,最后微珠自动从J R 流通池底部排放掉。微珠注射分析在紫外- 可见- 红外光谱范围进行检测,微珠可以选择性地捕获所选生物分子。在整个光谱范围内实时收集到的检测结果提供了生物分子的结合、解离和所捕获的生物配